乌梁素海生态恢复机理与生态恢复工程技术的研究

·1·乌梁素海生态恢复机理与生态恢复工程技术的研究尚士友杜健民厚福祥申庆泰王丽敏（内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特010018）摘要:在我国干旱区典型草型湖泊—乌梁素海设立试验基地，进行生态恢复工程试验研究。研究表明：乌梁素海受富营养化影响，正在向芦苇沼泽—碱蓬盐化草甸—白刺荒漠方向演化。生态恢复机理是：（1）减少大型水生植物有机氮、磷向底质的沉降，削弱内源性营养物负荷的积累与储备；（2）减少大型水生植物死亡后矿化成氨态氮；（3）控制底质中有机氮向水体释放生成氨态氮。采用机械化方式收割大型水生植物转移营养盐，抑制生物促淤效应以及对芦苇区进行园田化生态管理是乌梁素海生态恢复的关键技术，也是乌梁素海环境与资源持续发展的核心问题。关键词：乌梁素海；富营养化；生态恢复机理；生态工程技术；持续发展中图法分类号：X171.1文献标识码：A目前，湖泊富营养化已经成为世界范围内一个突出的环境问题，我国三分之二的湖泊都面临着日益严重的富营养化危害。2002年11月国家林业局报告，我国平均每年有30个湖泊在消亡。在这些消亡的湖泊中绝大多数都是位于干旱区的浅水草型湖泊，富营养化给这些湖泊的沼泽化进程提供了巨大的动力，以这些湖泊为依托的湿地生态系统的有序结构随之严重退化，给我国干旱区环境与经济的可持续发展造成了不可挽回的损失。在大型水生植物响应型的富营养化草型湖泊内大型水生植物过量生长不仅给湖泊内源性营养物负荷的积累造成了沉重的负担，促进了沼泽化进程，同时也给湖周的农业生态、农田水利工程、城市供水、水产养殖、水鸟栖息地及旅游业带来了直接的或潜在的威胁。据调查，我国干旱区的乌梁素海、哈素海、红山水库、伊胡塔湖、博斯腾湖、查干湖等都在不同程度上存在着这方面的问题。我国干旱区典型草型湖泊—乌梁素海是黄河流域的最大湖泊，是全球范围内半荒漠地区极为少见的具有很高生态效益的大型多功能湖泊，在我国湿地、荒漠及动物物种三大生态系统保护中具有十分重要的地位。研究乌梁素海生态恢复机理及生态恢复工程技术不仅对乌梁素海具有重要的现实意义，而且对我国干旱区其它湖泊湿地的保护也具有普遍性和实用性。1乌梁素海富营养化及其演化进程1.1乌梁素海富营养化的主要表征乌梁素海位于内蒙古自治区乌拉特前旗境内，是于1850年由黄河改道形成的河迹湖，现在湖区界于北纬40°47'～41°03'，东径108°43'～108°57'，湖面高程1018.5m，库容量2.5×108m3～3×108m3，最大水深3.9m,80%水域水深0.8m～1.0m，现有水域面积293km2。乌梁素海补给水源主要是河套灌区的农田退水，其次为河套灌区内的工业废水和生活污水，据乌梁素海1980—2002年由主排干排入的水量统计平均4.6×108m3，矿化度平均1.586g/l，排入盐量平均75.13×104t。河套灌区农田化肥用量已由1978年的7×104t迅速上升到1997年的43.8×104t,至2002年化肥用量已经超过50×104t，化肥利用率仅为30%，大量流失的化肥随农田退水进入乌梁素海。据1970—2002年入海口水质监测，总氮含量平均1.74mg/l，总磷含量平均0.07mg/l，分别为国际通用判断富营养水平标准的8倍与3.5倍[1]，已使乌梁素海成为十分典型的富营养化的草型湖泊。——————————————————————*收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（30160022）；国家科技成果重点推广计划项目（2002EC000128）。作者简介：尚士友（1943—），男，辽宁沈阳人，教授，从事湖泊环境保护工作。·2·乌梁素海富营养化主要表征是大型水生植物过量生长，以适应微咸水质的芦苇和龙须眼子菜为优势种。目前，乌梁素海挺水植物分布面积122km2，生产量约24×104tDW·a-1，平均生物量1967gDW·m-2；沉水植物分布面积约97.5km2，群落盖度100%,生产量8.5×104tDW·a-1，平均生物量872gDW·m-2。乌梁素海每年自生自灭沉积湖底的沉水植物残骸与芦苇水下部分残骸腐败分解后向水中释放氮、磷营养盐，冬季水下NH3—N含量高达2.58mg/L，非离子氨浓度远高于鱼类致死浓度，1973至2002年几乎每年在初春解冻时均发生大面积死鱼现象，甚至2002年7月也开始发生大面积死鱼现象。目前，青鱼、草鱼、瓦氏雅罗鱼等19种水产品均已绝种，渔产量已由60年代的3600t骤减至2002年的50t。乌梁素海共有鸟类192种另4亚种，属国家一、二类保护的鸟类30种，其中有黑鹳、玉带海雕、白尾海鸥、大鸨、白琵鹭和遗鸥6种世界濒危乌类。乌梁素海湿地面临着各种污染和破坏，直接威胁着数百万只鸟类的生存。由于水草充塞水体空间不得不使用网箔捕鱼，常使善于潜水取食的赤嘴潜鸭、白骨顶等水鸟误入网箔死亡，据样方统计每年这样死去的水鸟可达50,949±23,652只[2]。近年来，喜磷的草虾大量繁殖，捕食虾类的黑翅长脚鹬等水鸟随之明显增多，这是磷含量增加的一个显著的信号，TP含量有时高达0.677mg/L。1.2乌梁素海的演化进程当前，乌梁素海每年沉积湖底的大型水生植物残骸约为20.5×104tDW，生物填平作用9~13mm·a-1，湖底淤积的底质厚度平均360mm。对比1975年与2001年卫星遥感影像图，当芦苇产量由2.3×104t增加到11×104t时，芦苇区面积扩大了约7倍。乌梁素海的面积已由50年代的660km2缩减为293km2，虽然缩减的原因是多方面的，但是乌梁素海的演化进程已呈明显的沼泽化特征，如不治理在30年内将完全演变成为芦苇沼泽地。乌梁素海1987年与1996年TM卫星遥感各类地貌解析见表1。表1乌粱素海1987与1996年TM卫星遥感各种地类解析分析(面积：km2)Tab.1TheAnalysisofDifferentSatelliteRemoteSensingRegionsinLakeWuliangsuhai(1987and1996)(area:km2)接收日期明水区芦苇区湖中沼泽区湖周沼泽区洪积扇区人造芦苇区1987年4月6日1996年9月5日对比结果128.31107.13-21.1894.88112.97+18.0926.1928.46十2.2721.0324.76十3.7301.10十1.107.7622.69+14.93乌梁素海沿岸植物较多，以碱蓬群落为主，近百年来黄灌排水难于控制地下水位，土壤植被无法保持根系层土壤处于良好的盐分平衡状态，加上蒸发量大，加速了盐渍化过程，地表显示盐碱化特征。碱蓬群落外围已呈荒漠特征，植物主要为白刺，群落宽度已达1100m,面积超过30km2。乌梁素海湿地演化进程为芦苇沼泽—碱蓬盐化草甸—白刺荒漠，在我国干旱区湖泊湿地演化进程中具有代表性。2乌梁素海营养元素的积累与转化2.1乌梁素海营养元素的积累每年排入乌梁素海氮、磷的途径包括农田排水、地下水、山洪、灌渠退水、降水等，近年来平均每年入湖总氮约1088.59t，总磷约65.75t；每年排出乌梁素海氮、磷的途径包括排入黄河、收割芦苇、捕鱼、鸟类取食等，平均每年出湖总氮约759.9t，总磷约37.8t，每年留在湖中参与积累的总氮约328.7t，总磷约27.9t。乌梁素海处于蒙新高原，全年日照时数3185h，日照率72%，太阳辐射量年均值627600J·cm-2a-1,蒸发强度1502mm,为降雨量的7倍，水面蒸发和植物蒸腾达4.23×108m3,占入湖水量的63.52%，造成了水体营养元素强烈·3·的浓缩作用，加剧了氮、磷营养元素的积累，使乌梁素海内源性营养物污染潜力相当大。据近年水质分析，乌梁素海总氮平均含量2.03mg/l，总磷平均含量0.38mg/l,以湖水库容量2.8×108m3计，目前水体中总氮储备量约568.4t，总磷储备量约106.4t。据叶雪梅等关于中国主要湖泊营养氮沉降临界负荷的研究，乌梁素海氮沉降临界负荷应为40.295t[3],现在乌梁素海水体中总氮储备量已达临界负荷的14倍。按国际通用水质营养标准氮0.2mg/l，磷0.02mg/l计算，乌梁素海水体中氮超负荷储备512.4t，磷超负荷储备53.8t。近年来乌梁素海水质监测结果见表2（4个样本），乌梁素海总氮、总磷平衡及收割水草转移氮、磷的计算见表3。表22001年乌梁素海水质监测结果统计表单位：mg/L（pH除外）Tab.2StatisticsTableofWaterQualitySupervisorResultofLakeWuliangsuhaiin2001Unit:mg/L(exceptthevalueof表3近年乌梁素海水体中总氮、总磷平衡及收割水草转移氮、磷的计算（t）Tab.3TheBalanceofTN,TPofLakeWuliangsuhaisWaterBodyandtheCalculationofTransferringN,PbyHarvestingAquaticPlantinRecentYears(t)项目现水体中储量每年合计输入每年合计输出每年留湖中参与积累按营养标准超负荷储备维持良性循环应转移收割5×104t水草可转移TNTP568.459.41088.665.8759.937.8328.728.0512.453.8841.181.8825852.2乌梁素海营养元素的转化乌梁素海水体中各种形态氮、磷的转化关系见图1。图1乌梁素海水体中各种形态氮、磷的转化示意图Fig.1theHintingChartofDifferentFormNitrogenandphosphorusTransformationinWaterBody近年来，乌梁素海水体中NO3—N浓度平均0.705mg/L，NH3—N浓度平均1.345mg/L，NO2—N含量平均0.0161mg/L。各种水生生物在水体中的代谢产物为有机氮，有机氮可以矿PH总硬度(CaO)溶解氧亚硝酸盐氮总氮总磷CODBOD氨氮硝酸盐氮最小值最大值平均值7.739.178.19386.3989.3684.56.313.79.40.01010.24860.09781.143.362.030.0800.7690.38126.7303.0100.73.2131.735.70.174.291.280.0711.640.469降雨降尘地表径流入湖河道农田退水厂矿污水生活污水其它点源蒸发蒸腾农田用水渗漏其它流失芦苇氮、磷水草氮、磷有机态氮、磷氨态氮底质氮磷亚硝酸氮态氮硝酸盐态氮吸收吸收沉降释放矿化氧化氧化吸收正磷酸态磷矿化吸收释放沉降死亡还原（氮、磷转移）死亡收获·4·化成为无机氮或沉降底质。水体与底质间氮的交换是水体氮的来源与去向的主要过程之一，当外部营养盐输入较少时，从底质中释放的营养盐可成为满足生产力需要的重要营养源，底质中氮的释放主要是氨态氮的释放。底质是乌梁素海的重要内源性污染源，乌梁素海底质表层所积累的总氮和有机氮的含量较高，在0-30mm厚的表层底质中，有机氮含量高达1985mg/kg。由于风浪、生物等的搅动底质也会向湖泊水体中释放氨态氮，具有很大的污染潜力。大型水生植物的根和营养体都有吸收矿质营养的能力，底质吸收是植物组织矿质营养的主要来源。大型水生植物所固定的矿质营养在整个生长期中不会被明显释放，这对控制营养物的循环速度有明显作用。除根部以外，沉水植物的叶片对水层中的营养物也有很强的吸收功能，对藻类生长可起到抑制作用。大型水生植物主要吸收水体中的氨氮（NH3—N）和硝酸盐氮（NO3—N），乌梁素海芦苇区和沉水植物茂密区的硝酸盐氮含量平均0.324mg/L，氨氮含量平均0.432mg/L，底质中有机氮(TON)含量2.5g/kg，均高于明水面及深水区1～3倍，说明大型水生植物沉积腐烂后以有机氮的形式存于底泥中，体现了大型水生植物的生长与底质生物填平作用的关系。综上所述，如果以机械化方式收获大型水生植物转移营养负荷，可减少有机氮向底质的沉降，阻断底质氮的来源，从而有效控制湖泊内源性营养物负荷的积累，并可逐步削减底质氮的储备数量。3乌梁